一种X波段低剖面微带天线阵列设计

杨佳妮

摘要：文章设计了一种用于指定圆柱形设备的微带天线阵，微带天线体积小、低剖面、易共形、易集成、成本低，适合批量生产。文章在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线电性能良好，易于在工程上实现。

关键词：X波段；圆柱形天线；微带阵列天线

1 天线概述

在一些应用场合要求天线具有在有限的安装空间以及低剖面，特定的电气指标等的能力，同时不改变平台的气动外形以及飞行性能[1]。而微带天线具有体积小、质量轻、剖面薄、易集成和易与载体共形的优点，适合规模化批量生产，可以有效地降低系统成本。

本文的微带阵列天线使用一种柔性介质板加工制作，实现了圆柱形平台天线的共形需求，满足了特定方向的增益要求。天线设计采用1×16微带天线阵，采用功分网络馈电，实现了在X波段内良好的驻波以及弹体的前向、后向指定覆盖范围的辐射方向图。

2 天线设计

2.1 天线单元的尺寸计算

如图1所示，用传输线模分析法讨论矩形微带，将天线视为一段长L两端开路低阻抗微带传输线。等效为无限大平面上相同激励的两个缝隙[2]，缝宽△L，相距L=λg/2。根据理论公式可得贴片尺寸

，贴片长度L理论上取值λg/2，但是由于受到边缘场的影响，在设计L的尺寸上应该从λg/2中减去2△L，其中c为真空中的光速，谐振频率f，εr为介质板介电常数，λg为工作波长。

2.2天线单元的仿真设计

HFSS软件对天线单元进行仿真，根据所采用的柔性印制板的参数以及单元天线工作中心频率，可以得到天线的原始尺寸W，L。矩形微带贴片天线在HFSS中的仿真模型如图2所示。通过软件对天线进行优化仿真，最终的到满足设计要求的单元贴片尺寸为：W0=13 mm，W1=6 mm，W2=1.4 mm，L0=10.2 mm，L1=2 mm。该贴片在工作频带内：S11<-1O dB，驻波VSWR<2，如图3所示。天线最大辐射方向的增益>7 dB，如图4所示。

3.3 馈电网络設计

设计馈电网络如图5所示，使天线单元得到等幅同相的激励，采用并联馈电方式使功分器组成多级网络[3]。

3.4 微带天线阵列设计

这里采用16个单元天线组成1×16的线阵，并且改变单元天线的放置方向，达到指向方向范围的辐射要求，设计功分网络来给天线阵列馈电。

结合装配以及天线尺寸要求，综合考虑取一定的单元间距进行仿真。馈线的长度和宽度的初始值由TXLINE软件计算得出，然后在HFSS软件中优化。微带阵列天线与功分网络整体仿真结构如图6所示。

图7为微带天线阵列的驻波结果，在工作频带内天线阵列-1O dB，电压驻波比在工作频带内VSWR<2；图8为辐射方向图，实现了后向的指定角度范围内G≥-15 dB，以及前向指定角度范围内的增益要求。

4 结语

本文利用HFSS软件对一种低剖面微带阵列天线进行了研究和设计。设计了1×16的微带阵列天线及功分网络，设计结果表明，在X波段的一定频段内，该阵列天线的电压驻波比小于2，指定方向的辐射特性满足设计要求，适用于批量的生产。

[参考文献]

[1]林涛.弹载超宽带天线设计与仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016

[2]郭婧.K波段微带阵列天线技术研究[D].成都：电子科技大学，2015.

[3]杨亚兵，赵迎超，李绪平，等.一种宽带低副瓣微带阵列天线的设计[J].火控雷达技术，2015（4）：84-87.